湯會(huì)增

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州，450007)

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1 000 kV GIS超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

湯會(huì)增

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州，450007)

摘要：提出了1 000 KV GIS超聲波局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的硬件和上位機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。信息采集處理單元以TMS320單片機(jī)為控制核心，基于AD620的前置放大單元具有較高檢測(cè)精度。運(yùn)用1 000 kV GIS超聲波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)4種絕緣缺陷進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得出超聲波檢測(cè)法的特點(diǎn)。該系統(tǒng)成功發(fā)現(xiàn)某1 000 kV GIS盆式絕緣子故障，工程實(shí)際應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：超聲波；TMS320；GIS局部放電；前置放大器

Abstract：An overall design scheme of on-line detection system for ultrasonic partial discharge in 1 000 kV gas insulated switchgear (GIS) is presented, and the hardware part and software part of detection system are designed. Information acquisition and processing unit takes TMS320 single-chip microcomputer as control core, and the preamplifier unit based on AD620 has a higher precision. Through the simulation tests of four conventional insulation defects by ultrasonic detection system in 1 000 kV GIS, the characteristics of ultrasonic detection system are summarized. The proposed system has successfully found a basin-type insulator damage in 1 000 kV GIS, which has a good engineering practical application effect.

Key words：ultrasonic; TMS320; GIS partial discharge; preamplifier

0引言

氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear，GIS)是將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、母線等多種設(shè)備全部封閉在充滿SF6氣體(作為絕緣和滅弧介質(zhì))金屬外殼中的組合式開(kāi)關(guān)電器[1]，1 000 kV GIS是特高壓輸變電工程中的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，將可能造成電網(wǎng)重大事故發(fā)生[2]。絕緣降低是GIS設(shè)備故障的主要原因，對(duì)GIS進(jìn)行在線局部放電(partial discharge，PD)檢測(cè)可有效掌握GIS內(nèi)部絕緣狀況，預(yù)防GIS故障跳閘造成電網(wǎng)事故。GIS發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生包括縱波、橫波和表面波的聲波向四周傳播，超聲波檢測(cè)法，即用超聲探頭檢測(cè)局部放電處的超聲、振動(dòng)信號(hào)，是目前監(jiān)測(cè)GIS設(shè)備局部放電的有效方法之一[3]。

1檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1檢測(cè)原理及結(jié)構(gòu)

超聲波測(cè)量法原理如圖1所示，超聲波傳感器安裝在GIS外殼上，不會(huì)對(duì)GIS運(yùn)行和操作產(chǎn)生任何影響，其通常測(cè)量20～100 kHz頻率范圍，可以剔除外界的干擾信號(hào)，獲得較好的信噪比，抗電磁干擾性能好，原理簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)放電類別識(shí)別和定位，易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

圖1　超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

在1 000 kV GIS外殼或盆式絕緣子上裝設(shè)超聲波探頭，超聲探頭實(shí)時(shí)采集GIS放電信號(hào)并將這些信號(hào)用光纖傳輸?shù)焦庵欣^站，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后經(jīng)過(guò)放大、處理和存儲(chǔ)后，有上位機(jī)軟件進(jìn)行分析處理，并提供顯示、打印及遠(yuǎn)傳。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.2定位方法

GIS局部放電伴隨相應(yīng)的超聲脈沖，超聲傳感器接收同一放電聲波的時(shí)間因在GIS上的安裝位置不同而有所差異，可利用PD產(chǎn)生的聲電信號(hào)時(shí)間差對(duì)PD進(jìn)行空間定位。超聲傳感器與放電源距離S的關(guān)系為S=tn×C。式中：tn為放電點(diǎn)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)到達(dá)n號(hào)傳感器的時(shí)間；C為橫波在殼體中的傳輸速率。通過(guò)對(duì)某相同信號(hào)的時(shí)間差、幅值進(jìn)行同步記錄，求出距多個(gè)傳感器的距離S1,S2,…Sn，通過(guò)對(duì)以上所求距離的組合分析來(lái)確定PD的坐標(biāo)。

圖3　超聲波探頭的實(shí)際安裝位置圖

2硬件系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要組成部分是超聲波傳感器、光中繼站、前置功率放大器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)軟件等。主要技術(shù)參數(shù)如下：超聲探頭為低頻諧振式NU40A18TR傳感器；通道數(shù)：48個(gè)，用于監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)部的放電；運(yùn)用模式：66路采用并行模式；超聲脈沖特性：5 μs；超聲頻率：30～220 kHz；相位外同步：50 Hz；使用電源：AC 220 V 500 W；光纜與電源線的安裝：光纜是用ST頭與傳感器對(duì)接的；電源線是用二通道的Ф3.5插頭對(duì)接的。

圖4　GIS現(xiàn)場(chǎng)的超聲波探頭圖5　現(xiàn)場(chǎng)小室光接收機(jī)

高靈敏度傳感器對(duì)局部放電檢測(cè)效果影響較大，系統(tǒng)采用壓電陶瓷為材料的NU40A18TR外置式傳感器，在局部放電產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力作用下利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，聲傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其輸出電壓V(t，x)=U(x，t)×T(t)，U(x，t)為表面位移波，T(t)為響應(yīng)函數(shù)。利用此超聲波傳感器來(lái)接收GIS表面產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，其靈敏度大于-80 dB，頻帶在17～220 kHz之間，諧振頻率40 kHz，外觀如圖4所示。超聲波傳感器接收到的采樣信號(hào)通過(guò)前端信號(hào)調(diào)理電路的處理后再經(jīng)過(guò)射頻耦合器隔離和高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)數(shù)字化；最后再由DSP(digital signal processor)將轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)讀取并存入RAM中。

由于超聲波傳播過(guò)程中衰減較快，因此需要選用增益較大的前置放大單元。如圖6所示，前置放大電路采用增益可調(diào)的前置放大器AD620，其輸入端連接2個(gè)0.1 μF耦合電容與100 kΩ的接地電阻R1、R2構(gòu)成高通濾波器濾除低頻噪聲干擾，管腳4、管腳7與電源相連接，管腳5與地相接，管腳1、管腳8與電阻Rg進(jìn)行連接，Rg為增益可以調(diào)節(jié)的電阻。由圖7可知，在保證信號(hào)不失真情況下獲得最大增益，Rg取210 Ω滿足頻率40 kHz左右信號(hào)檢測(cè)要求，由此可得增益G為

CPLD(complex programable logic device)采用Altera 公司EPM7128S (PLCC84)芯片，DSP采用TI公司的DSP TMS320C6713。基于DSP和CPLD的多通道分布式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。在邏輯控制模塊CPLD的作用下,DSP控制信號(hào)能夠產(chǎn)生同步采樣信號(hào)，來(lái)控制不同信號(hào)的采集，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。各模數(shù)采集卡中的數(shù)據(jù)由DSP讀取并存儲(chǔ)在RAM中，去除噪聲干擾和取樣分析工作也在DSP中完成，最后將處理后數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳送至上位機(jī)。

圖6　前置放大電路圖

圖7　AD620的頻率與增益對(duì)應(yīng)圖

圖8　采樣板系統(tǒng)框圖

3客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件采用專家系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，綜合運(yùn)用數(shù)字濾波、動(dòng)態(tài)閾值等抗干擾方法，來(lái)消除或抑制噪音干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)多路超聲波信號(hào)的同步采集、傳輸、濾波、分析、報(bào)警、放電類型識(shí)別、放電位置定位、放電趨勢(shì)分析、二維(Q-Φ，N-Φ，N-Q)和三維(N-Q-Φ)圖表顯示打印等功能。

圖9　局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件顯示二維界面

4常見(jiàn)局部放電類型模擬試驗(yàn)

利用上述設(shè)計(jì)的超聲波在線監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)GIS模型進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)圖10所示組建測(cè)試系統(tǒng)電路，實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)模型如圖11所示。其中變壓器采用工頻試驗(yàn)變壓器200B4M-380 V/1 000 kV；限流濾波阻抗為工頻試驗(yàn)保護(hù)電阻(GR 1 000-1/6)；超聲波傳感器為NU40A18TR低頻諧振式傳感器。

圖10　GIS超聲波局部放電測(cè)試系統(tǒng)電路圖

圖11　GIS超聲波局部放電測(cè)試系統(tǒng)模型圖

在GIS模型內(nèi)部分別設(shè)置4種絕緣缺陷：導(dǎo)電桿上系一根長(zhǎng)約為12 mm的銅絲模擬突出物缺陷，絕緣子表面沾上直徑0.2 mm銅絲模擬附著物缺陷，環(huán)氧樹(shù)脂絕緣棒中設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)約15 mm、直徑為10 mm孔洞后再將表面封好來(lái)模擬絕緣子氣隙缺陷，用數(shù)個(gè)約2×2 mm2和2×3 mm2的矩形薄鋁片模擬微粒缺陷。試驗(yàn)過(guò)程中緩慢升高試驗(yàn)電壓，仔細(xì)觀察示波器中的信號(hào)及波形，超聲波局放測(cè)試裝置檢測(cè)出如圖12所示的放電灰度圖。

圖12　GIS 4種缺陷下的局部放電示意圖

圖12中a)絕緣子氣隙缺陷在相位的正半周上和負(fù)半周都有放電現(xiàn)象，正半周較負(fù)半周的局部放電點(diǎn)總數(shù)多、相對(duì)脈沖幅值大。圖b)絕緣子附著污染物缺陷局部放電產(chǎn)生的灰度圖比較分散，電壓較低時(shí)放電不明顯，局部放電次數(shù)在相位上的分布范圍較寬，放電特點(diǎn)并不明顯。圖c)自由金屬微粒的局部放電灰度圖相對(duì)較為集中，放電次數(shù)也更為集中，正半周與負(fù)半周均有放電現(xiàn)象，正半周的放電點(diǎn)與負(fù)半周基本均衡，負(fù)半周上放電幅值比絕緣子內(nèi)部氣泡缺陷幅值大一點(diǎn)。局部放電集中在20°～60°和180°～260°之間，表現(xiàn)為周期性的波動(dòng)，具有良好的對(duì)稱性。圖d)金屬突出物缺陷灰度圖中，可以看出在工頻正半周和負(fù)半周也都存在放電現(xiàn)象，在0°～60°放電量較少一些，但到240°～360°時(shí)放電現(xiàn)象開(kāi)始明顯，而且放電幅值也變大了。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，超聲波傳感器與GIS之間無(wú)任何電氣聯(lián)系，不受電氣干擾，通過(guò)時(shí)間間隔可以定位PD。通過(guò)增大傳感器增益和采用帶通濾波器來(lái)減小外界不同頻率特性振動(dòng)因素的影響，在故障類型檢測(cè)中對(duì)金屬尖端、自由顆粒、懸浮電等缺陷具有較高靈敏性。

5一起局部放電實(shí)例分析

2013年03月12日12∶30，某特高壓變電站1號(hào)主變壓器1 000 kV側(cè) GIS組合電器C相隔接組合氣室與母線氣室間盆式絕緣子閃絡(luò)放電，1號(hào)主變壓器三側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘后失電，造成華中地區(qū)部分電號(hào)，如圖13(a)中C相C-T1通道放電量達(dá)到112 pC，網(wǎng)波動(dòng)。12∶24 超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出告警信脈沖個(gè)數(shù)231，C-T1通道即為安裝在C相隔接組合氣室與母線氣室間盆式絕緣子的超聲波探頭，圖13(b)顯示放電類型為盆式絕緣子放電。由于故障電流較大，1號(hào)主變壓器保護(hù)動(dòng)作，GIS設(shè)備停電，放電現(xiàn)象消失，所以只能夠?qū)Ψ烹姵跗谛盘?hào)進(jìn)行采集。

圖13　超聲波信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)分析圖

將故障間隔GIS轉(zhuǎn)檢修后解體檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣子內(nèi)部出現(xiàn)長(zhǎng)且深的裂紋，與超聲波檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果一致。

6結(jié)論

所設(shè)計(jì)的基于TMS320單片機(jī)的1 000 kV GIS超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)，采用空間時(shí)間差的方法進(jìn)行局部放電故障定位，采用靈敏度高的超聲波傳感器和基于AD620的前置放大電路圖，通過(guò)帶通濾波器排除外界振動(dòng)干擾,能夠有效檢測(cè)金屬尖端、自由顆粒、懸浮電、盆式絕緣子故障等絕緣缺陷，但此檢測(cè)法現(xiàn)場(chǎng)要在GIS外殼和盆式絕緣子上安裝多個(gè)傳感器。

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中圖分類號(hào)：TM595

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0024-05

作者簡(jiǎn)介：

湯會(huì)增(1982)，碩士研究生、工程師，從事電力設(shè)備在線檢測(cè)技術(shù)研究和超特高壓變電運(yùn)維管理工作。

(收稿日期：2015-11-19)